KOTO実験(KLπ0νν探索実験)と京都K中間子グループの活動
物理学第二教室 教室発表会
2011年3月10日
高エネルギー物理学研究室
前田陽祐(D1)
0L0

K → π νν
Maeda Yosuke, Kyoto University
J-PARC KOTO experiment

K中間子グループの概要
J-PARC KOTO experiment

ニュートリノグループ

CdTeグループ

スタッフ : 中家, 南野, 市川
ポスドク : 池田
博士課程学生 : 中島*,松岡, 久保, 大谷, 家城, 村上
修士課程学生 : 高橋将, 鈴木, 山内, 木河

平木* : 教務補佐員
9月よりKEKへ転出

K中間子
中間子グループ
中間子グループ

スタッフ : 南條
博士課程学生 : 塩見,塩見 河崎,河崎 増田,
増田 内藤,内藤 前田,
前田 森井*,森井 横山
修士課程学生 : 高橋剛
ATLASグループ
来年度より発足

学生主体となって研究を進めている
10th Mar, 2011

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K L → π νν 崩壊
0J-PARC KOTO experiment◇direct CP violation◇Br ∝ η2unitarity
triangle◇clean process◇理論からくる不定性は 数％◇probe of new physics

st◇ループを含んだ崩壊

標準理論の検証,
K
新物理の探索◇非常にchallengingな実験

0LZ

ν

0Vtdt

ν

d
π0d◇標準理論による予言 : Br= (2.43 +/- 0.39)x10-11◇始状態, 終状態ともに中性で検出が困難

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KOTO実験(J-PARC E14実験)
J-PARC KOTO experiment◇世界初の崩壊事象の観測を目指す◇茨城県東海村の世界最大強度の陽子ビームを用いる.
 K0 at Tokai◇KEK-PS E391a実験を受け継ぎビームライン, 検出器をupgrade◇KOTO collaboration◇5ヶ国, 約60名の研究者が参加
collaboration meeting @KEK
◇米国, ロシア, 台湾, 韓国,(20th Feb, 2011)
山形大, KEK, 防衛大, 京大, 阪大, 佐賀大10th Mar, 2011

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実験スケジュール検出器

KL

primaryproton

J-PARC KOTO experimentK1.8/K1.8BR◇ 2006年 プロポーザル提出

16°

K1.1BR◇2009年 ビームライン建設◇9月完成  ビームサーベイ実験コリメータアラインメント
K中間子生成数の測定

中性K中間子ビーム◇2010年 カロリーメータ建設◇純CsI結晶のスタッキング◇PMTベースの量産, インストール◇ビーム粒子の測定
K π0νν◇2011年 veto検出器建設◇ 2012年~ 物理ランL

検出不可π02γ

veto検出器で何もないことを保証

カロリーメータで検出
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2009年 ビームサーベイ実験

0L

0

K → π νν
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J-PARC KOTO experimentコリメータアラインメント
J-PARC KOTO experiment◇GOHMON - Graphical Online High-flux beam Monitor◇シンチレーションファイバーを敷き詰めた検出器◇スピル毎のビーム形状を瞬時に表示◇1mmの精度でコリメータをalign可能◇検出器upgrade◇読み出し回路の最適化◇本年度のビームタイムについても正しくコリメータをアラインする
ことに成功
コリメータをターゲットを中心に回転
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K中間子生成数測定実験
J-PARC KOTO experiment◇2009年にビームラインが完成
最重要課題としてK中間子生成数測定を実施◇マグネット, チェンバーを使わないシンプル且つ確実な方法を採用π+ホドスコープγ
カロリーメータ
KLビーム

γKLπ+π-π0(Br~12.5%)を検出
10th Mar, 2011

π-hodoscope : 1cm幅のシンチレータストリップ
π+π-をトラッキング
calorimeter : 7cm x 7cm x 30cm pure CsI crystal
π0からの2γを検出
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K中間子生成数測定実験 – 解析結果
J-PARC KOTO experiment◇系統誤差や運動量分布を評価◇K中間子生成数 (/(2x1014P.O.T.))◇Ni Target :(1.83 +/- 0.038stat. +/- 0.13syst.) x 107

再構成したKLの質量分布(Ni target)

noundorgback

プロポーザルの約2.3倍!!

◇Pt Target :(3.73 +/- 0.080stat. +/- 0.25syst.) x 107

測定結果から求めたKLの運動量分布

10%よりよい精度でK中間子の生成数を測定することに成功!!

10th Mar, 20112010年7月
ICHEP @Paris にて結果を発表
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メインカロリーメータ建設

0L0K → π ννMaeda Yosuke, Kyoto University
J-PARC KOTO experimentKOTO実験 メインカロリーメータシステム
J-PARC KOTO experiment◇π02γ を検出する◇約3000本の純CsI結晶より構成◇米国FermilabのKTeV実験で使われた結晶, PMTを再利用

PMT holder

2.5cm2 x 50cm : 2240
5cm2 x 50cm :476
pure CsI crystal

PMT

シリンダー: E391aのものを再利用

filter +ethernetcontrolbase
125MHzcardFADCsilicon cookie

スタッキングに京都グループも貢献
10th Mar, 2011京都グループで新規開発, 製作
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乾燥室

CsI結晶スタッキング

J-PARC KOTO experiment◇2007-2008にFermilabよりCsI結晶を輸送◇ビームサーベイ終了後(2010年5月)より建設開始◇乾燥室を設置し, 湿度を~15%に.
◇シリンダーの歪み等と格闘...

先月結晶のstacking完了!!

2月8日
完了!!

2010年 5月

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カロリーメータ用PMTベースの製作
J-PARC KOTO experiment◇KOTO実験用にCW型低消費電力,低ノイズのPMTベースを開発◇KTeVとのエネルギーの違い◇真空中での使用◇学部生アルバイトを起用し,約3000本の組み立て,全数検査に成功
現在インストール中◇全チャンネルの高電圧コントロールシステムの開発
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秋のビームタイムに於ける性能評価
J-PARC KOTO experiment◇結晶を途中まで積んだ状態でビームを用いたテスト◇多チャンネル(O(1000))の動作(HVの供給, 信号読み出し)
no dead channel!!
◇Al targetで生成したπ0によるcalibration◇KL3π0によるKLの再構成◇timingの情報の解析

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π0 in Al target & KL3π0
J-PARC KOTO experiment◇アルミターゲットを設置し,中性子との相互作用で生じたπ0を検出
Al plate run0
π の質量の場所にピークを検出正しくcalibrationが行われていることを確認◇KL3π06γからKLを再構成◇KLの質量にピークを検出◇昨年の測定とconsistentなK中間子数 KL3π0のKL3π0

イベントディスプレイ

読み出しチャンネル
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inmile
prary

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timing resolutionの評価
J-PARC KOTO experiment◇calibration用のレーザー,宇宙線, e+/-シャワーのデータの時間情報を解析

取得された
FADCの出力(8ns sampling)
080

160

240320◇宇宙線のデータにより各チャンネルのoffsetを評価◇constant fractionにより時間分解能を評価

400

time [ns]0.88ns @10MeV(~MIP)(宇宙線データ)◇想定通りの時間分解能を有することを確認

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ビーム粒子の測定

0L

0

K → π νν
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J-PARC KOTO experimentビーム粒子のフラックス, エネルギー測定
J-PARC KOTO experiment◇ビーム中に残存する中性子, 光子を測定◇ビームについてのよりよい理解
CsI用乾燥室用乾燥室◇アクシデンタルhitを軽減するため, 100WのK ビーム低強度runを実施(通常3kW)

CsI読
読み出しエレクトロニクス

L

beamdump

CsI
BHPV
Cerberus(hadron calorimeter)beam
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NCC

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ビーム光子の測定
J-PARC KOTO experiment

BHPV(γγ tag)◇本実験で用いる検出器プロトタイプをflat用いた測定
mirrorγ◇Beam Hole Photon Veto (BHPV)

trigger
scinti.

γ converter(1.5mmt lead sheet)◇鉛γ線コンバータ + エアロジェルによる中性子に不感なCerenkov型光子検出器◇最下流のγ線veto検出器として設置予定◇カロリーメータを配置してγのエネルギーを測定

aerogel(n=1.03)calorimeter

WinstonCone funnel
5inch PMT◇MCに近いエネルギー分布を観測
概ね理解できているryani
p r e lim
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2011年 検出器建設に向けて

0L

0K → π ννMaeda Yosuke, Kyoto University
J-PARC KOTO experiment本実験のための検出器R&D
J-PARC KOTO experiment◇Neutron Collar Counter (NCC)◇Charged Veto (CV)
先行実験(E391a)でのバックグラウンド源
実験の成否を分ける検出器
NCC
FB

CV
MB

BCV

CsI カロリーメータ

νCC03 CC04 CC05

CC06 BHCV BHPV

π 0 → 2γ

KL
崩壊領域
3.5m
6.15m

ν
12.5m

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Neutron Collar Counter (NCC)
J-PARC KOTO experiment◇上流部に設置する検出器
NCC◇検出器上流部でのKL2π0, 3π0によるBGを抑制◇検出器とハロー中性子の相互作用によるπ0の生成が問題となる

純CsI結晶による不感領域のない検出器
読み出しをビーム方向に分割
γ◇ハロー中性子を直接検出し,
γ veto部
モニター◇波長変換ファイバーによる読み出し

中性子測定部

haloneutron
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実機製作に向けたstudy
J-PARC KOTO experiment◇プロトタイプモジュールを用いたビームテスト◇K1.1BRテストビームラインでハドロンに対する応答を測定
MCをチューン

NCCプロトタイプモジュール◇現状◇使用するCsI結晶の選定,加工(既に半数を 1GeV/cの各荷電粒子に対する応答終了)
来年度よりモジュール製作を開始
10th Mar, 2011

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total deposit energy23/27[MeV]

Charged Veto (CV)J-PARC KOTO experiment◇メインカロリーメータを覆うように設置◇荷電を含むKL崩壊事象を排除◇NCCと同様, ハロー中性子との相互作用によるπ0やηの生成が問題となる

CV~80cmKL beam

ハロー中性子との相互作用をCsI小さくするため,新しい構造を考案
front CV◇薄い(3mmt)プラスチックシンチレータ rear CV+ 波長変換ファイバー読み出し  大面積をカバー◇MPPCによる読み出し  十分な光量を獲得
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実機製作に向けたstudy
J-PARC KOTO experiment◇KOTO実験CV用 MPPCの開発◇3mm角受光面 + ペルチェ素子による冷却システム  5℃で動作させる◇浜松ホトニクスと共同開発
問題なく冷却出来ている
常温ではノイ(ノイズを軽減)
ズが多すぎる既にプレ量産に入っている

ペルチェ素子で温度をコントロール(恒温槽20℃固定)◇シンチレータの性能評価◇e+ビームを用いて光量や時間分解能, 対消滅による不感率を評価  全て要求を満たしている
実機量産のための準備を進めている
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今後の展望◇2011年4月

KLπ0νν branching ratio

10-7
E391a upper limit(world record)

J-PARC KOTO experiment

10-8◇カロリーメータ
全システムの性能評価◇~10月◇全検出器建設

10% intensity
1month
1.46x10-9

10-9
new physics region

10-10◇12月～2012年2月◇全検出器を配置してエンジニアリング

2.43x10-11
10-11

P.O.T.
milestone
for 2012 summer◇2012年春

KOTO goal◇Grossman-Nir limitを越える感度での崩壊事象の探索◇K+π+νν崩壊の分岐比測定結果からの間接的な制限◇LHCやsuper Bと共に,新しい物理を探索していく
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summary
J-PARC KOTO experiment◇京都K中間子グループはKLπ0νν崩壊の探索を通じたCP対称性の破れと標準理論を越えた物理の研究を行っている.
◇KLπ0ννの世界初観測を目指し, J-PARC KOTO実験を推進し, 主導的な役割を果たしている.
◇本年はカロリーメータ建設について, CsI結晶のスタッキングや読み出し, コントロール系の整備を行った. また, 実際にビームに対しても, 問題なく動作していることを確認した.
◇K中間子の生成数測定やコリメータアラインメント, 光子,中性子の測定等, ビームの性能評価を行った.
◇来年度の全検出器建設に向け, この実験の鍵となる検出器の製作を進めている.
◇2012年春から物理ランを開始し, 新物理の探索を目指す.
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27/27backup slides*実験原理(ビームライン, 信号事象, バックグランド)0
L0

K → π νν
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J-PARC KOTO experiment実験原理 – ビームラインKLprimaryproton◇ターゲット(Ni/Pt)
K1.8/K1.8BRからの生成する中性の二次粒子をコリメータで細く絞る.
target(Ni/Pt)J-PARC KOTO experiment

16°

K1.1BRsweeping magnet (2T)
charged16°

検出器
detectorKL,
neutron, γprimary proton
2 stages of collimator(30GeV/c)γ absorber (Pb)
(Fe/W)

2nd collimatorsweeping magnet

長いビームライン(~20m) :1 collimator
短寿命粒子(KS,Λ...)を排除
20m(ターゲット細く絞ることで(~8µstr)KLの崩壊点を制限から)
st10th Mar, 2011

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実験原理 – 信号事象の同定
J-PARC KOTO experiment◇π0 & nothing◇π0γγをカロリーメータで検出◇全崩壊領域を検出器で覆い, π0以外の粒子が何も生
4ππ-veto detectors
成していないことを保証
target(Ni/Pt)

sweeping magnet (2T)
chargedπ0γγ16°KL,
neutron, γprimary proton
2 stages of collimator(30GeV/c)γ absorber (Pb)
(Fe/W)

calorimeterKLπ0νν
decay region

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neutrinos(undetectable)

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実験原理 – バックグラウンド事象
J-PARC KOTO experiment◇π0 & nothing◇π0γγをカロリーメータで検出◇全崩壊領域を検出器で覆い, π0以外の粒子が何も生
4ππ-veto detectors
成していないことを保証
target(Ni/Pt)

sweeping magnet (2T)
charged16°

KL,neutron, γprimary proton
2 stages of collimator(30GeV/c)γ absorber (Pb)
(Fe/W)◇バックグラウンド事象

検出ミス
検出ミス!!
ミス

calorimeterKL2ππ04γγ◇KL2π0 (4γ) : miss 2γ◇halo neutron : 検出器と相互作用してπ0を生成
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実験原理 – バックグラウンド事象
J-PARC KOTO experiment◇π0 & nothing◇π0γγをカロリーメータで検出◇全崩壊領域を検出器で覆い, π0以外の粒子が何も生
4ππ-veto detectors
成していないことを保証
target(Ni/Pt)

sweeping magnet (2T)
charged

16°π0KL,neutron, γprimary proton
2 stages of collimator(30GeV/c)γ absorber (Pb)
(Fe/W)
halo neutron◇バックグラウンド事象

calorimeter

先行実験(E391a)での最大のBG◇KL2π0 (4γ) : miss 2γ◇halo neutron : 検出器と相互作用してπ0を生成
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KOTO実験のキーポイント
J-PARC KOTO experiment◇高性能なビーム◇十分なKLの数  KLの生成数を測定◇ハローの少ないビーム
コリメータアラインメント
ハローの元となるビームコア中の粒子の測定◇高性能な検出器◇高いエネルギー分解能, 位置分解能でπ02γを検出
カロリーメータ建設◇高いefficiency
バックグラウンド源となる検出器の改良

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CsI結晶stacking完了まで...
KTeV calorimeter@Fermilab, US unstacking
and shipping to Japan

2007-2008

store in dry roomand test light yield@Osaka Univ.
J-PARC KOTO experimentFeb 2011
complete!!
upgradeMay 2010 start to stack
crystals @J-PARC

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J-PARC KOTO experiment

600MeV/ce+ beam

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history of upper limit for Br(KLπ0νν)J-PARC KOTO experimentworld record :2.6x10-8
new physics region

Grossman-Nir limit :1.4x10-9

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